DE2653837C2 - Scintillator arrangement of a scintillation camera - Google Patents
Scintillator arrangement of a scintillation cameraInfo
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- G01T1/1642—Static instruments for imaging the distribution of radioactivity in one or two dimensions using one or several scintillating elements; Radio-isotope cameras using a scintillation crystal and position sensing photodetector arrays, e.g. ANGER cameras
Description
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Die Erfindung betrifft eine Szintillator-Anordnung einer Szintillationskamera der im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Gattung.The invention relates to a scintillator arrangement of a scintillation camera in the preamble of Claim specified genus.
Eine derartige Szintillator-Anordnung ist aus »IEEE Transactions on Nuclear Science«, Band NS-22, Februar 1975, Seiten 626 bis 632, bekannt. Die dort insbesondere als Röntgen-Detektor eingesetzten Szintillator-Anordnungen arbeiten mit Szintillationskristallen, die bei kleineren Durchmessern eine Dicke von 3 mm, bei großflächigen Detektoren eine solche von 5 mm haben. Eine geringe Dicke ist dort erwünscht, um das Szintillationskristall-Volumen möglichst klein und damit das Hintergrundrauschen entsprechend gering zu halten.Such a scintillator arrangement is from "IEEE Transactions on Nuclear Science", Volume NS-22, February 1975, pages 626 to 632. The ones there in particular Scintillator arrangements used as X-ray detectors work with scintillation crystals, which are used in Smaller diameters have a thickness of 3 mm, for large-area detectors a thickness of 5 mm. A small thickness is desirable there in order to keep the volume of the scintillation crystal as small as possible, and thus as small as possible to keep the background noise correspondingly low.
Bei Szintillations-Kameras ist es vorteilhaft, wenn auf diejenigen Fotovervielfacher, die von der Lumineszenzstelle im Szintillationskristall weiter entfernt sind, eine möglichst geringe Lichtmenge auftrifft, um die räumliche Auflösung nicht zu beeinträchtigen.With scintillation cameras it is advantageous if on those photomultipliers that are further away from the luminescent site in the scintillation crystal, one the smallest possible amount of light impinges in order not to impair the spatial resolution.
Um dies näher zu erläutern, wird auf Fig. 1 Bezug genommen, in der eine herkömmliche Szintillator-Anordnung einer Szintillationskamera dargestellt ist. Dabei gelangt das Licht von einer Szintillationsstelle P, von der bei Auftreffen eines Gammaquants Szintillationslicht ausgeht, vorwiegend auf die Fotovervielfacher PMi^i, PMiund PMi+\ (mit i = ganze Zahl). In Fig. 1 sind ferner ein optischer Leiter 1 und ein Szintillationsfenster 2 dargestellt. Der Szintillationskristall 3 besteht beispielsweise aus NaI (Tl).To explain this in more detail, reference is made to FIG. 1, which shows a conventional scintillator arrangement of a scintillation camera. The light comes from a scintillation point P, from which scintillation light emanates when a gamma quantum hits, mainly on the photomultiplier PMi ^ i, PMi and PM i + \ (with i = integer). In Fig. 1, an optical conductor 1 and a scintillation window 2 are also shown. The scintillation crystal 3 consists for example of NaI (Tl).
Eine optimale Lichtverteilungsfunktion wäre dann gegeben, wenn das Licht nur auf die obengenannten, der Szintillationsstelle P benachbarten Fotovervielfacher, nicht jedoch auf die weiter entfernten Fotovervielfacher PMi-2, PMi-z usw. auf treffen würde. Eine derartige Lichtverteilungsfunktion läßt sich mit den bisherigen Szintillator-Anordnungen nicht erreichen, so daß die bekannten Szintillationskameras geringe räumliche Auflösung aufweisen.An optimal light distribution function would be provided if the light only hit the above-mentioned photomultiplier units adjacent to the scintillation point P , but not the photomultiplier units PMi-2, PMi-z , etc., which are further away. Such a light distribution function cannot be achieved with the previous scintillator arrangements, so that the known scintillation cameras have a low spatial resolution.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Szintillator-Anordnung einer Szintillationskamera der eingangs bezeichneten Gattung so weiterzubilden, daß eine höhere räumliche Auflösung erreicht wird.The invention is based on the object of the scintillator arrangement of a scintillation camera to be developed further in such a way that a higher spatial resolution is achieved.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegeben. Wie im folgenden noch ausführlich dargelegt werden soll, führt die Verwendung eines Szintillationskristalls, der die im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebene Dicke von höchstens 9 mm und gleichzeitig die im Kennzeichenteil des Patentanspurchs angegebene Oberflächenrauhigkeit aufweist, zu einer LichtverteiThe inventive solution to this problem is given in the characterizing part of the claim. As will be explained in detail below, the use of a scintillation crystal, the thickness specified in the preamble of the claim of a maximum of 9 mm and at the same time the im Characteristic part of the patent claim has specified surface roughness, to a light distribution
lungsfunktion, die eine hohe räumliche Auflösung ergibtfunction that results in a high spatial resolution
Aus dem Buch von Kai Siegbahn »ALPHA-, BETA-From the book by Kai Siegbahn »ALPHA-, BETA-
AND GAMMA-RAY SPECTROSCOPY«, 1965, Band 1, Seite 283, ist es zwar an sieht bekannt, Szintillationskristalle mit einer Oberflächenrauhigkeit zu versehen, die in den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Bereich fällt Außerdem ist dort auch von einer Verbesserung der Auflösung die Rede. Da sich die Druckschrift jedoch auf SpektrometerAND GAMMA-RAY SPECTROSCOPY «, 1965, Volume 1, Page 283, although it is known To provide scintillation crystals with a surface roughness that is in the characteristic part of the Claim specified range also falls there is also from an improvement in resolution Speech. However, since the publication relates to spectrometers
ίο bezieht kann es sich bei dem Begriff »Auflösung« nur um die Energie-Auflösung handeln, d. h. um dasjenige Maß, bis zu dem schwache Strahlungsenergien von dem Spektrometer noch erfaßt werden. Demgegenüber befaßt sich die Erfindung, wie oben dargelegt, mit der räumlichen Auflösung, die für eine Szintillationskamera wesentlich istίο it can only refer to the term "dissolution" be about energy dissolution, d. H. by the extent to which the weak radiant energies of the Spectrometer still to be recorded. In contrast, the invention, as set out above, is concerned with the spatial resolution, which is essential for a scintillation camera
Dem Gegenstand des älteren deutschen Patents 26 33 950 liegt zwar die gleiche Aufgabe wie der vorliegenden Erfindung zugrunde; die Aufgabe wird dort bei der Szintillator-Anordnung einer Szintillationskamera durch zwei in der zur Lichtaustrittsebene senkrechten Richtung hintereinander angeordnete Szintillationskristalle gelöst, die an ihren einander zugewandten Oberflächen zur Bildung eines Streuelementes grob poliert sind. Die Gesamtdicke der beiden Szintillationskristalle ist dort vorzugsweise 10 bis 15mm, d.h. etwas größer als die im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebene Dicke des in der erfindungsgemäß ausgebildeten Szintillator-Anordnung vorliegenden Kristalls. Die Dicke eines der beiden Kristalle kann daher beim Gegenstand des älteren Patents in dem bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Anordnung vorausgesetzten Bereich liegen, beim Ausführungsbeispiel etwa zwischen 0,5 und 6 mm.The subject of the earlier German patent 26 33 950 is the same task as the the present invention is based; the task is there with the scintillator arrangement of a scintillation camera by two arranged one behind the other in the direction perpendicular to the light exit plane Scintillation crystals dissolved on their surfaces facing each other to form a scattering element are roughly polished. The total thickness of the two scintillation crystals there is preferably 10 to 15mm, i.e. slightly larger than the thickness specified in the preamble of the claim in the invention formed scintillator arrangement present crystal. The thickness of one of the two crystals can therefore in the case of the subject matter of the earlier patent in the case of the arrangement designed according to the invention assumed range, in the exemplary embodiment between approximately 0.5 and 6 mm.
Grundlagen und ein Ausführungsbeispiel der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigtFundamentals and an embodiment of the invention are explained below with reference to the drawings explained in more detail. In the drawings shows
Fig. 1, auf die bereits Bezug genommen wurde, eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Szintillator-Anordnung, 1, to which reference has already been made, a schematic representation of a conventional scintillator arrangement,
F i g. 2 eine Anordnung zur Erläuterung der im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung vorgenommenen Untersuchungen,F i g. 2 shows an arrangement for explaining what has been carried out in connection with the present invention Investigations,
F i g. 3 eine graphische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen Signalamplituden und der Oberflächenrauhigkeit des Szintillationskristalls wiedergibt,F i g. 3 is a graph showing the relationship between signal amplitudes and the surface roughness of the scintillation crystal,
F i g. 4A und 4B graphische Darstellungen zur Veranschaulichung des Zusammenhangs zwischen der Oberflächenrauhigkeit und der Lichtverteilung,F i g. 4A and 4B are graphs to illustrate the relationship between the Surface roughness and light distribution,
F i g. 5 ein weiteres Diagramm zur Erläuterung des Einflusses der Oberflächenrauhigkeit,F i g. 5 a further diagram to explain the influence of the surface roughness,
F i g. 6 ein Ausführungsbeispiel,F i g. 6 an embodiment,
F i g. 7 ein Diagramm zur Erläuterung der Lichtverteilung in dem in F i g. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel undF i g. 7 is a diagram for explaining the light distribution in the FIG. 6 illustrated embodiment and
F i g. 8 eine Tabelle der mit dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 6 erzielten Auflösungswerte.F i g. 8 is a table of the figures with the exemplary embodiment according to FIG. 6 achieved resolution values.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wurden Untersuchungen angestellt, um die Bedingungen
herauszufinden, bei denen eine optimale Lichtverteilungsfunktion auftritt; d.h., es wurde untersucht,
i) die Bedingung, bei der der Gradient der Lichtverteilung bei dem der Lumineszenzstelle am nächsten
liegenden Fotovervielfacher am größten ist und die auf diesen auffallende Lichtmenge klein ist,
die Bedingung, unter der die Lichtmenge bei dem Fotovervielfacher zu Null gemacht werden kann,
die neben dem der Lumineszenzstelle am nächstenIn connection with the present invention, studies have been made to find out the conditions under which an optimal light distribution function occurs; that is, it was investigated
i) the condition in which the gradient of the light distribution is greatest at the photomultiplier located closest to the luminescence point and the amount of light falling on it is small,
the condition under which the amount of light in the photomultiplier can be made zero, the one closest to that of the luminescent site
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liegenden Fotovervielfacher liegen oder noch weiter von der Lumineszenzstelle entfernt angeordnet sind, undlying photomultiplier lie or arranged further away from the luminescence point are and
in) die Bedingungen, unter denen die Zahl N der insgesamt ausgelösten Fotoelektronen vergrößert werden kann.in) the conditions under which the number N of the total released photoelectrons can be increased.
Bei diesen Experimenten wurden die Kurven für die Lichtverteilung für verschiedene Kristalldicken mit einer rauhpolierten Oberfläche gemessen. Bei diesen Messungen zeigte sich ein zuvor nicht bekanntes, sehr interessantes Phänomen, das nachfolgend im einzelnen beschrieben werden soll.In these experiments the curves for the light distribution for different crystal thicknesses were made using measured on a rough polished surface. These measurements showed a previously unknown, very interesting phenomenon to be described in detail below.
Zunächst richtete man die Aufmerksamkeit auf ein Experiment, um die Zahl TVder Gesamtphotoelektronen durch rauhes Policen des Kristalls zu erhöhen, wobei die in F i g. 2 dargestellte Anordnung verwendet wurde. Die Dicke d und, die Oberflächenrauhigkeit des Szintillationskristalls 3 bildeten die Parameter. Der Durchmesser des Sekundär-Elektronenvervielfachers PM und die Dicke do eines Glasfensters 2 wurden konstant gehalten. Als eine Strahlung γ liefernde Quelle wurde 57 Co benutzt Die dabei erhaltenen Meßwerte sind in F i g. 3 dargestellt, wobei auf der Ordinate die Impulshöhen und auf der Abszisse die Oberflächenrauhigkeit aufgetragen sind.At first, attention was paid to an experiment to increase the total photoelectron number TV by rough polishing the crystal, the values shown in FIG. 2 was used. The thickness d and the surface roughness of the scintillation crystal 3 constituted the parameters. The diameter of the secondary electron multiplier PM and the thickness do of a glass window 2 were kept constant. 57 Co was used as a source delivering radiation γ . The measured values obtained are shown in FIG. 3, the pulse heights being plotted on the ordinate and the surface roughness on the abscissa.
Aus F i g. 1 ist zu ersehen, daß die Rauhigkeit, die einem mittleren Poliermittel-Korndurchmesser von 20 μπι entspricht, für jede Kristalldicke eine wesentlich größere Impulshöhe als eine Oberfläche ergibt, die spiegelpoliert ist. Das heißt, daß die Zahl N der gesamten Fotoelektronen ansteigt, wenn die Oberfläche rauher wird. Die Zahl N ist dagegen umgekehrt proportional zur räumlichen Auflösung.From Fig. 1 it can be seen that the roughness, which corresponds to an average polishing agent grain diameter of 20 μm, results in a significantly greater pulse height for each crystal thickness than a surface that is mirror-polished. That is, the number N of total photoelectrons increases as the surface becomes rougher. The number N , on the other hand, is inversely proportional to the spatial resolution.
Bei einer Oberflächenrauhigkeit unter einem Wert entsprechend einem mittleren Poliermittel-Korndurchmesser von 40 μηι ergab sich keine wesentliche Vergrößerung der Zahl H für einen Kristall mit einer Dicke von 12,7 mm, wie.dies in Fig.3 durch eine mit kleinen Kreisen markierte Kurve dargestellt ist. 1st der Kristall jedoch dünner als 9 mm, so ergibt sich eine Zahl «o N, die mit rauherer Oberflächenrauhigkeit ansteigt, wie dies durch die mit kleinen Kreuzen versehene Kurve dargestellt ist. Die Begründung für dieses Phänomen wird weiter unten gegeben. In Fig.3 ist eine durch kleine Dreiecke bezeichnete Kurve dargestellt, wobei diese Dreiecke die Meßergebnisse sind, die mit einem 5 mm dicken Kristall gewonnen wurden.With a surface roughness below a value corresponding to an average polishing agent grain diameter of 40 μm, there was no significant increase in the number H for a crystal with a thickness of 12.7 mm, as shown in FIG. 3 by a curve marked with small circles is. If the crystal is thinner than 9 mm, however, the result is a number «o N, which increases with rougher surface roughness, as shown by the curve with small crosses. The rationale for this phenomenon is given below. A curve denoted by small triangles is shown in FIG. 3, these triangles being the measurement results obtained with a 5 mm thick crystal.
Es wurde durch verschiedene Gruppen von Kristallen und durch verschiedene Poliermittel und Poliervorgänge festgestellt, daß für Kristalle, die dünner als 9 mm >° sind, die Impulshöhe bei Korndurchmessern des Poliermittels über 40 μπί im wesentlichen proportional zum Korndurchmesser des Poliermittels ist, und daß diese Tendenz um so klarer und auffälliger ist, j-ϊ dünner die Kristalle sind. Bei Kristallen, die zwischen 9 und 12,7 mm dick sind, war die Vergrößerung der Zahl N jedoch nicht so stark.It has been established by different groups of crystals and by different polishing agents and polishing processes that for crystals thinner than 9 mm> °, the pulse height at grain diameters of the polishing agent over 40 μπί is essentially proportional to the grain diameter of the polishing agent, and that this tendency the clearer and more conspicuous it is, the thinner the crystals are. For crystals that are between 9 and 12.7 mm thick, however, the magnification of the number N was not as great.
Um eine verbesserte Lichtverteilungskurve zu erhalten, d. h., um die Bedingungen und Voraussetzungen gemäß den zuvor aufgeführten Punkten i) und ii) herauszufinden, wurde danach eine Untersuchung durchgeführt, um den Zusammenhang zwischen der Lage der Lumineszenzstelle und der Impulshöhe zu ermitteln, indem die Lage der Gammastrahlungsquelle (vgl. F i g. 2) in seitlicher Richtung verändert wurde. Die Ergebnisse dieser Untersuchung sind in den F i g. 4A und 4B dargestellt. In diesen Figuren sind die Lichtverteilungsfunktionen in normierter Form dargestellt, um die Auswertung zu erleichtern. F i g. 4A zeigt Relativwerte der Impulshöhe für Kristalle mit einer Dicke von 12,7 mm und einer Rauhigkeit entsprechend mittleren Poliermittel-Korndurchmessern von 24 μπι (Meßwerte O), 74 μπι (Meßwerte Δ ) und von 125 μηι (Meß'verte x). Fig.4B zeigt die Meßergebnisse für einen 5 mm dicken Kristall mit Rauhigkeiten entsprechend mittleren Korndurchmessern von 24 μπι (Meßwerte O)und74 μπι (Meßwerte Δ).In order to obtain an improved light distribution curve, i. i.e., to the terms and conditions in accordance with points i) and ii) listed above, then became an investigation performed to determine the relationship between the position of the luminescence point and the pulse height by changing the position of the gamma radiation source (see FIG. 2) in a lateral direction. the Results of this investigation are shown in FIGS. 4A and 4B. In these figures are the Light distribution functions shown in standardized form to facilitate evaluation. F i g. 4A shows Relative values of the pulse height for crystals with a thickness of 12.7 mm and a roughness accordingly mean polishing agent grain diameters of 24 μm (Measured values O), 74 μm (measured values Δ) and from 125 μm (Meas'verte x). Fig.4B shows the measurement results for a 5 mm thick crystal with roughness corresponding to average grain diameters of 24 μm (measured values O) and74 μπι (measured values Δ).
In Fig.4A besitzen die Kurven eine ausgeprägte, scharfe Spitze und ein nachziehendes, langsam auslaufendes Ende. Unterschiede in der Rauhigkeit beeinflussen die Kurvenspitze nicht, jedoch etwas das seitliche Ende der Kurven. Darüber hinaus bewirkt dieser Unterschied keine wesentliche Änderung im Gradienten in der Lage (Xi+1) des Fotovervielfacher, der der Lumiiieszenzquelle am nächsten liegtIn FIG. 4A, the curves have a pronounced, sharp point and a trailing, slowly tapering end. Differences in roughness do not affect the tip of the curve, but the side end of the curve somewhat. Furthermore, this difference does not cause any significant change in the gradient in the position (Xi + 1) of the photomultiplier which is closest to the luminescence source
In Fig.4B zeigen die Kurven ein weniger langsames Auslaufen des Kurvenendes, d. h„ die Kurven nehmen mit zunehmendem Abstand stärker ab. Die Form der Kurvenspitze ändert sich bei größerer Rauhigkeit. Der Gradient an der Stelle Xi+1 des der Lumineszenzstelle benachbarten Fotovervielfachers steigt mit zunehmender Rauhigkeit stark an. Es sei darauf hingewiesen, daß im Abstand Xi+ 2 die Impulshöhe Null ist. Dies wurde allgemein für Kristalle festgestellt, die dünner als 9 mm sind.In FIG. 4B, the curves show a less slow tailing off of the curve end, i.e. h “the curves decrease more with increasing distance. The shape of the curve tip changes with greater roughness. The gradient at point Xi + 1 of the photomultiplier adjacent to the luminescence point rises sharply with increasing roughness. It should be noted that the pulse height is zero at the distance Xi + 2. This has been found generally for crystals thinner than 9 mm.
In den Fig.4A und 4B sind auf den Ordinaten die relativen Werte der Impulshöhen und auf den Abszissen die Abstände von der Szintillationsstelle aufgetragen. Die Angaben Xi, Xi+1 und Xi+ 2 bezeichnen die Mittelpunkte der Fotovervielfacher PMi, PMi+1 bzw. PMi+2. In FIGS. 4A and 4B, the relative values of the pulse heights are plotted on the ordinates and the distances from the scintillation point are plotted on the abscissa. The indications Xi, Xi + 1 and Xi + 2 designate the center points of the photomultiplier units PMi, PMi + 1 and PMi + 2, respectively.
Es hat sich also herausgestellt, daß drei Erfordernisse lediglich dadurch in geeigneter Weise befriedigt werden können, daß der Kristall dünner als 9 mm und rauher ausgeführt wird, wobei die Erfordernisse darin bestehen, die Anzahl N der Fotoelektronen zu erhöhen, den Gradienten zu erhöhen, und das Licht an dem der Lumineszenzstelle am nächsten liegenden Fotovervielfacher sowie das Licht, das auf die diesem benachbarten und auf die entfernten Fotovervielfacher trifft, zu verringern.It has thus been found that three requirements can be properly satisfied only by making the crystal thinner than 9 mm and rougher, the requirements being to increase the number N of photoelectrons, to increase the gradient, and to reduce the light at the photomultiplier located closest to the luminescent point as well as the light that strikes the photomultiplier units adjacent to it and on the remote photomultiplier units.
Es besteht jedoch immer noch die Frage, ob dieser Effekt tatsächlich auf die rauhere Oberfläche oder auf den kleineren Gesamtabstand d+do zwischen der Szintillationsstelle und dem Fotovervielfacher zurückzuführen ist. Um dies bei dem zuvor beschriebenen, vorteilhaften Phänomen herauszufinden, wurde ein Experiment für Kristalle mit Dicken von 12,7 mm und 5,0 mm durchgeführt, bei denen der Gesamtabstand d+do mit 18mm konstant gehalten wurde, indem geeignete optische Leiter eingesetzt wurden. Die Meßergebnisse sind in F i g. 5 dargestellt. Die Angaben auf den Achsen entsprechen denen von F i g. 4, wobei die Abstände .Yin mm auf der Abszisse angegeben sind. Die Meßwerte χ ergeben die Kurve für die 12,7 mm dicken Kristalle, und die Meßwerte O ergeben die Kurve für die 5,0 mm dicken Kristalle, die mit einem Poliermittel der Korngröße 74 μ,η poliert wurden. Aus F i g. 5 ergibt sich, daß der rauhpolierte Kristall einen idealen, trapezähnlichen Verlauf der Lichtverteilungsfunktion FXx) unabhängig vom Gesamtabstand der Lumineszenzstelle vom Fotovervielfacher ergibt.However, the question still remains as to whether this effect is actually due to the rougher surface or to the smaller overall distance d + do between the scintillation site and the photomultiplier. In order to find out this in the advantageous phenomenon described above, an experiment was carried out for crystals with thicknesses of 12.7 mm and 5.0 mm, in which the total distance d + do was kept constant at 18 mm by using suitable optical guides. The measurement results are shown in FIG. 5 shown. The information on the axes corresponds to that of FIG. 4, where the distances .Yin mm are given on the abscissa. The measured values χ give the curve for the 12.7 mm thick crystals, and the measured values give the curve for the 5.0 mm thick crystals which were polished with a polishing agent with a grain size of 74 μ, η. From Fig. 5 shows that the rough-polished crystal results in an ideal, trapezoidal course of the light distribution function FXx) regardless of the total distance between the luminescence point and the photomultiplier.
F i g. 6 zeigt den Aufbau eines Szintillators, der als Szintillationskristall einen Nal-Kristall 5 mit einer Dicke von 9 mm oder einer kleineren Dicke aufweist. Ein Fenster 4 besteht beispielsweise aus Glas. EinF i g. 6 shows the structure of a scintillator which, as a scintillation crystal, has a Nal crystal 5 with a thickness of 9 mm or less in thickness. A window 4 is made of glass, for example. A
streuender Reflektor 6 besteht beispielsweise aus AI2O3, MgO oder BaSO4. Das Fenster 4 und der Kristall 5 sind mit einem Epoxyharz-Kleber optisch miteinander gekoppelt. Die obere und untere Fläche des Kristalls 5 ist rauh poliert mit einem Polierungsgrad entsprechend einem mittleren Poliermittel-Korndurchmesser von 40 bis 125 μπι. Der Reflektor 6 reflektiert dasjenige Licht in den Kristall zurück, das von der Szintillationsstelle auf die Unterseite des Kristalls fällt.The scattering reflector 6 consists for example of Al2O3, MgO or BaSO 4 . The window 4 and the crystal 5 are optically coupled to one another with an epoxy resin adhesive. The upper and lower surfaces of the crystal 5 are roughly polished with a degree of polishing corresponding to an average abrasive grain diameter of 40 to 125 μm. The reflector 6 reflects that light back into the crystal which falls from the scintillation point on the underside of the crystal.
Die optischen Vorgänge im Kristall 5 sollen anhand von F i g. 7 beschrieben werden und zwar durch Erläutern des Grundes, weshalb die rauh polierte Oberfläche einen bestimmten Effekt zeigt, wenn die Kristalldicke kleiner als 9 mm ist.The optical processes in the crystal 5 should be based on FIG. 7 are described by Explain the reason why the rough polished surface shows a certain effect when the Crystal thickness is less than 9 mm.
In Fig.7 sind zwei Medien mit einem höheren Brechungsindex π von 1,54 und einem kleineren Brechungsindex η von 1,0 dargestellt, die an den Übergangsflächen rauh poliert sind. Wenn ein Laserstrahl auf die Medien gerichtet wird, so ergeben sich Kurven für die Lichtemission, wie sie in F i g. 7 dargestellt sind. In F i g. 7 sind die Lichtintensität (in logarithmischer Darstellung) und die Strahlungsrichtung in Polarkoordinaten angegeben, wobei die Punkte Oa, Ob und Oc die Pole bzw. die Nullpunkte des Polarkoordinatensystems sind. Die Strahlungsrichtung bzw. die Richtung des Lichts gibt den Emissionswinke! des Lichtes wieder, der der Richtungswinkel der Polarkoordinate ist.7 shows two media with a higher refractive index π of 1.54 and a lower refractive index η of 1.0, which are roughly polished at the transition surfaces. When a laser beam is directed onto the media, it results in curves for the light emission as shown in FIG. 7 are shown. In Fig. 7 shows the light intensity (in a logarithmic representation) and the direction of radiation in polar coordinates, the points Oa, Ob and Oc being the poles or the zero points of the polar coordinate system. The direction of radiation or the direction of the light gives the angle of emission! of light again, which is the direction angle of the polar coordinate.
Des einfacheren Verständnisses halber sei hier angenommen, daß Licht mit jeweils gleicher Intensität auf die Stellen Oa. Ob und Oc auftritt, obgleich die Intensitäten in der Praxis nicht gleich sind, wie dies im weiteren beschrieben werden wird.For the sake of easier understanding, it is assumed here that light with the same intensity in each case hits the points Oa. Ob and Oc occurs although the intensities are not the same in practice, as will be described below.
Für die rauheren Übergangsflächen ist die Komponente "Oc?an der Stelle Oc in Lichteinfallsrichtung im Vergleich zur Komponente Obb an der Stelle Ob wesentlich kleiner, da die Ausbreitung oder Zerstreuung mit größer werdendem Einfallswinkel auch größer wird. Dagegen ist die Komponente OCC\ an der Stelle Oc im Vergleich zur Komponente Obb\ an der Stelle Ob in Richtung zur Eintrittsfläche des Fotovervielfachers nicht so stark unterschiedlich. Wenn die Flächen dagegen fein poliert sind, wie dies durch die gestrichelten Kurven dargestellt ist, ist diese Tendenz gerade umgekehrt, d. h., die Abnahme der Komponente in Einfallsrichtung bzw. im Einfallswinkel ist klein, und die Abnahme der Komponente, die auf die Oberfläche des Fotovervielfachers gerichtet ist ist relativ groß.For the rougher transition surfaces is the "Oc component? C at the point O in Lich teinfallsrichtung compared to the component Obb at the site Whether considerably smaller since the spread or dispersion with increasing incidence wink el is larger. In contrast, the Component e O C C \ at the point O c compared to the component Obb \ at the point Ob in the direction of the entrance surface of the photomultiplier is not so different, but if the surfaces are finely polished, as shown by the dashed curves, this tendency is just the opposite, that is, the decrease in the component in the direction of incidence or in the angle of incidence is small, and the decrease in the component which is directed onto the surface of the photomultiplier is relatively large.
Bei dünnen Kristallen sind die Komponenten mit größerem Einfallswinkel dominierend, da der Abstand d von der Szintillationsstelle P zur polierten Oberfläche relativ klein ist. Da die Oberfläche rauher ist, wird die Verteilungskurve des emittierten Lichtes, wie es in F i g. 7 dargestellt ist, auch aus diesem Grunde runder, so daß die auf den Fotovervielfacher gerichteten Lichtkomponenten größer werden. Oder genauer ausgedrückt, da der Abstand zwischen der Szintillationsstelle fund jeder Stelle sich voneinander unterscheidet, muß der Absolutwert der an den Stellen Oa, Ob und Oc auftretenden Lichtmenge berechnet werden, wobei das Quadrat des Abstands in Betracht gezogen werden muß. Die tatsächlichen Absolutwerte sind jedoch hier nicht signifikant genug, um die Vorteile zu verstehen, die sich aus der kleineren Dicke des Kristalls und der rauhen Oberfläche desselben ergeben.In the case of thin crystals, the components with a larger angle of incidence are dominant, since the distance d from the scintillation point P to the polished surface is relatively small. Since the surface is rougher, the distribution curve of the emitted light becomes as shown in FIG. 7 is shown, also for this reason rounder, so that the light components directed onto the photomultiplier become larger. Or more specifically, since the distance between the scintillation point and each point is different from each other, the absolute value of the amount of light appearing at the points Oa, Ob and Oc must be calculated taking the square of the distance into account. However, the actual absolute values here are not significant enough to understand the advantages resulting from the smaller thickness of the crystal and the rough surface thereof.
Auf dem zuvor Beschriebenen ergibt sich also, daß die Wirkung einer rauhen Politur bei dünnen Kristallen von größerer Bedeutung ist, da die Ausbreitungskennlinie stark vom Lichteinfallswinkel abhängt und da die Komponenten größerer Einfallswinkel in dünnen Kristallen dominieren. Ein 5 mm dicker Kristall zeigt daher bezüglich einer unterschiedlichen Oberflächenrauhigkeit eine größere Wirkung als ein 9 mm dicker Kristall.From what has been described above, it follows that the effect of a rough polish on thin crystals of is of greater importance because the propagation characteristic depends heavily on the angle of incidence of light and because the Components of larger angles of incidence dominate in thin crystals. A 5 mm thick crystal shows therefore, a greater effect on different surface roughness than a 9 mm thick one Crystal.
In Fig.4B ist die Änderung der Verteilung um die Kurvenspitze herum als Folge eines starken Anstiegs oder einer starken Vergrößerung der auf den Fotovervielfacher gerichteten Lichtkomponente auf Grund der Rauhigkeit der Kristalloberfläche angesehen worden. Gleichzeitig sind der steil verlaufende Teil und der nicht nachlaufende oder langsam abfallende Randbereich der Kurven der Tatsache zuzuschreiben, daß die Komponente Obb wesentlich mehr gegenüber der Komponente 0 3a'als die Komponente OcCgegenüber der Komponente Obb abfällt, so daß die Komponente in Richtung des Einfallswinkels abnimmt, wenn der seitliche Abstand größer wird.In FIG. 4B, the change in the distribution around the top of the curve has been viewed as the result of a sharp rise or a large increase in the light component directed onto the photomultiplier due to the roughness of the crystal surface. Simultaneously, the steeply extending portion and the non trailing or slowly falling edge area are the Kurv en de r fact attributable to that the compo substantially a'als component falls NEN te Obb m ore g egenüber of component 0 3 OcCgegenüber component Obb so that the component in the direction of the angle of incidence decreases as the lateral distance increases.
Bei einem dicken Kristall ist aus Vergleichsgründen der Abstand d' von der Szintillationsstelle P' zur polierten Oberfläche relativ größer gewählt, um kleinere Einfallswinkel zu schaffen. Daher ist die Gerade POc als parallel zur Geraden POb anzusehen.In the case of a thick crystal, for reasons of comparison, the distance d ' from the scintillation point P' to the polished surface is selected to be relatively larger in order to create smaller angles of incidence. The straight line POc is therefore to be regarded as parallel to the straight line POb .
Daher wird das von P' kommende und auf den Punkt Oc auffallende Licht in entsprechender Weise wie das Licht Obb' und Obb verbreitert, so daß sich die Vertikalkomponenten (d. h. die auf den Fotovervielfacher gerichteten Komponenten) Obb\ und Obb\ ergeben. Therefore, the P 'coming and au ffalle to the point Oc walls Li CHT in the same manner as the light Obb' is widened and Obb, so that the vertical components (ie, a uf de n photomultiplier related components) Obb \ and Obb \ result.
Infolgedessen besteht bei dicken Kristallen bei Vergleich eines vertikalen Einfalls und eyies schrägen Einfalls die Ungleichung Oaa\ > Obb\, wenn der Kristall fein poliert ist. Bei rauh polierten Kristallen ergibt sich Oaa\ > Obb\ und Obb\ > Obb\. Daher ist das auf den Fotovervielfacher auftreffende Gesamtlicht bei dicken Kristallen praktisch konstant und nicht von der Rauhigkeit der Kristalloberfläche abhängig, da die integrierten Lichtkomponenten, die auf den Fotovervielfacher gerichtet sind, in beiden Fällen praktisch gleich sind, so daß sich unabhängig von der Rauhigkeit die in F i g. 3 dargestellte Eigenschaft ergibt. Die nachschleppenden oder nur langsam abfallenden Randbereiche der Kurven gemäß Fig.4A gehen auf die Tatsache zurück, daß ein kleinerer Einfallswinkel bei dicken Kristallen eine geringere Abnahme der Komponenten Obb in Einfallrichtung verursacht.As a result, in the case of thick crystals, when comparing a vertical incident fall and ey ies oblique incidence, the inequality O a a \> Obb \ exists if the crystal is fe in polar . With rough- polished crystals the result is O a a \> Obb \ and Obb \> Obb \. Therefore, the total light impinging on the photomultiplier is practically constant in the case of thick crystals and does not depend on the roughness of the crystal surface, since the integrated light components that are directed onto the photomultiplier are practically the same in both cases, so that the in F i g. 3 shows property shown. The trailing or only slowly sloping edge portions of the curves according to Figures 4A go back to the fact that a smaller angle of incidence with thick crystal causes all less decrease of the components Obb in the incident direction.
Kameras, die mit den beschriebenen Szintillator-Anordnung ausgerüstet sind, zeigten Auslösungswerte, wie sie in der Tabelle von F i g. 8 angegeben sind, wenn 57Co als Strahlungsquelle verwendet wird.Cameras equipped with the described scintillator arrangement showed release values as shown in the table in FIG. 8 when 57 Co is used as the radiation source.
Wie zuvor beschrieben wurde, sind die Vorteile einer rauhen Politur bei dünneren Kristallen größer. Es bestehen jedoch in der Praxis Grenzen hinsichtlich der Rauhigkeit und der Dicke bei den Kristallen. Ein sehr dünner Kristall führt zu einer wesentlichen Verschlechterung des Detektions-Wirkungsgrades bei Gammastrahlen. Daher ist die Kristalldicke für die Messung der Strahlung von Tc (Technetium) mindestens 1 bis 3 mm.As previously described, the benefits of a rough polish are greater with thinner crystals. It however, there are limits in practice with regard to the roughness and thickness of the crystals. A very thin crystal leads to a significant deterioration in the detection efficiency of gamma rays. Therefore, the crystal thickness for measuring the radiation of Tc (technetium) is at least 1 to 3 mm.
Darüber hinaus führt eine sehr rauhe Politur zum Zerspringen des Kristalls sowie zur Ausbildung von Blasen an der gesamten Übergangsfläche von dem Glas des Fensters zum Kristall. Wenn der Kristall von kombinierten Domänenbereichen mit unterschiedlichen Achsen gebildet wird, ergibt sich darüber hinaus eine unterschiedliche Lichtausbreitung durch die Domänen, so daß eine falsche Empfindlichkeitsverteilung gemessen wird.In addition, a very rough polish leads to the cracking of the crystal and the formation of Bubbles on the entire interface from the glass of the window to the crystal. When the crystal of combined domain areas is formed with different axes, there is also a different light propagation through the domains, so that an incorrect sensitivity distribution was measured will.
Hierzu 4 Blatt ZeichnungenFor this purpose 4 sheets of drawings
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